基于小流域水情測報系統的雨水情監控及預警程序的開發與應用

肖楊 李戴玉 羅立軍 李曉龍

關鍵詞：小流域水情測報系統；雨水情監控；預警程序；開發與應用

1引言

本文主要針對小流域水情測報系統雨水情監控及預警程序的開發與應用進行詳細分析。結合實際項目案例——某抽水蓄能電站，分析項目目的及意義，發展現狀，研究技術路線，剖析項目主要內容，闡述了項目的實際開發與應用，最終結合上述論述，闡明項目開發應用效果，旨在為相關業界人士提供參考。

2概述

2.1項目目的及意義

近年來，極端、惡劣天氣的出現頻率不斷增加，局部強降雨和短歷日寸降雨次數越來越多，造成的破壞在小流域上表現得極其顯著。由于小流域面積小、水流匯流時間短，在強降雨期間，形成的洪水不但不能預見，而且峰高量大，嚴重影響了汛期工程建設安全，甚至會對相關工作人員的生命造成威脅。過去在進行防汛值班工作時，相關工作者需全天候待命，守在機房的智能監控系統前，持續監控和值守雨水情數據，相關工作量大、效率較低，對人力和物力資源造成了嚴重浪費。因此，本文以長江流域某支流小流域為例，以現有水情測報系統數據庫為基礎，借助B/S構架，開發一個以Java編程語言為主的Windows桌面應用程序，利用程序界面，直觀展示雨水情數據，對相關數據進行實時更新，采取自動聲音、文字報警方式，對雨量和水位預警閾值進行設定，為相關預警信息的快速發布提供技術支持。

2.2發展現狀

目前，小水電流域雨水情遙測站點稀少或未建，缺少可靠的雨水情監測、預報、預警，數字化、自動化水平較低，且小水電防洪標準較低，隨著強降雨等氣象與地質災害頻發、多災并發，小水電遭遇暴雨洪水、泥石流等自然災害的風險加大。

2.2.1存在的問題

（1）小水電雨水情測報方面。目前，各流域電站主要通過自主建設或利用水文與氣象部門建設的雨量站、水位站、水文站進行落地降雨測報與計算、河段實際水位測報與流量計算等，應用較為成熟，但依賴建設的流域遙測站系統。

（2）小水電水文預報方面。目前，各小水電站的預測預報僅能以實時降水數據進行實時預報，其預報范圍較小，預報精度還需進一步提高，未考慮未來天氣影響情況，特別是對于短歷時的山洪小流域強降雨，其預報時效較差，預測預報相對滯后，難以指導預警發布和支持輔助決策。

（3）小水電經濟調度方面。小水電站若通過傳統水利信息化模式，建設流域遙測站系統進行雨水情測報預報，存在投資大、維護難、數據不全面、預見期短等突出問題，各電站難以承擔。

為實現對小水電的流域雨水情監測、洪水預報、防洪減災預警以及經濟運行，研究開發基于水文氣象大數據的小水電站水情預報系統，服務支撐小水電水文預報、防洪減災、經濟運行等業務，提高小水電水能利用率增發電量，提升小水電防洪減災保障水平，實現小水電提質增效。

2.2.2解決方式

（1）降水計算。在預報模型中，對實測降雨及預報降雨過程采用網格化處理，根據網格化數據，計算并提供各小水電站及其流域實況降水與歷史降水數據。

（2）水文預報?；谒娬净A信息以及流域拓撲關系，利用流域降水數據，開發配置通用型分布式水文模型，基于已構建的分布式水文模型，通過輸入不同的降水數據對水電站進行來水預報計算。

（3）減災預警。利用歷史降水數據計算得到近年來斷面的洪水過程及多年平均流量。然后通過排頻法計算洪峰對應的頻率，按照洪水預警規則進行預警，保障小水電運行安全。

（4）經濟調度?；谒念A報預測計算水電站發電量，并研究制定小水電不同來水狀況的運行規則與方案，指導小水電運行調度，提升經濟運行效率。

3技術路線

通過多學科交叉應用，基于水電站的基礎信息和流域拓撲關系，利用地理信息、氣象信息技術等對小水電站流域進行網格細化；利用氣象、水文信息及技術提供電站及其流域落地降水計算、降水與水文預報；基于水文預報成果，利用優化調度探索開發小水電經濟調度模型；基于云平臺、B/S架構研發系統平臺，依托瀏覽器提供在線服務、開發微信小程序等，實現不受地域的數據查詢和展示。

通過集成應用現有流域雨水情測報預報資源，并利用衛星遙感、地理信息系統、先進氣象預報與水文預報技術，構建基于水文氣象大數據的小水電水情預報及調度系統，實現對小水電站流域降雨及來水的監測預報，進而實現防洪減災預警、經濟運行等業務需要。

4項目研究內容

本項目申請提供一種水情測報系統，能夠將各水情測報站點測量的水情數據匯總在一起，對水情數據進行集群化、系統化統一管理，同時利用大數據技術手段進行預報分析，為水電站依據水情數據進行會商分析、錯峰調度以及防洪決策提供了有力的支持。

水情測報系統包括實況降水、氣象預報、來水預報、防災減災、經濟調度模塊以及水情服務器，實況降水主要是接入小水電流域內自建物聯監測站點的監測數據；通過對降水數據的統計分析，形成降水點面數據、極值數據、暴雨中心等，并進行綜合展示。氣象預報接入氣象局發布的數值降雨預報數據、天氣預報數據、雷達反射數據、衛星云圖數據等，并通過頁面進行綜合展示。來水預報主要是依托構建的分布式洪水預報模型，可為小型水庫、水電站提供較長預見期的洪水預報服務。防災減災主要是根據預報的數據，進行相應的預警。采用本系統能夠對水情數據進行集群化、系統化的統一管理，為水電站依據水情數據進行會商分析、錯峰調度以及防洪決策提供了有力的支持。

5項目開發及實際案例研究

5.1小流域水情測報系統雨水情監控以及預警程序的開發

5.1.1結構模式

對雨水情系統程序設計完成后，其運行須將水情數據庫作為主要依據，當業務模塊將指令向具體程序下達后，其便會在服務器中連接數據，同時對相關數據進行獲得，之后其通過自動計算，深入研究預警閾值，并將最終結果顯示在前端UI界面。

雨水情系統能夠將人機交互平臺的各項功能直觀呈現在用戶面前，在系統啟動后，其完全進入自動化運行狀態，進而降低工作人員的操作頻率、工作強度，為防洪防汛工作爭取更多反應時間，確保工作效率大幅度提高。

5.1.2功能模塊

（1）登錄模塊與程序配置模塊。

雨水情系統程序設計完成后，登錄模塊，使用驗證用戶賬號、類型、密碼相融合模式，唯有將用戶密碼正確輸入，才可以具備進入程序主界面的權利。雨水情系統程序可以針對不同類型用戶，選擇主界面開放權限。

雨水情系統程序配置模塊主要由兩部分組成，即數據庫配置與參數配置。其中，數據庫配置可以使程序在水平測報系統外部網絡中的使用更加不便，并使外部網絡PC在外部網絡端口完全開放的情況下，通過安裝相關程序實現遠程監控，及時為調度指揮中心和使用單位人員提供相關信息。

（2）數據監控模塊。

雨水狀況系統程序的主要接口是數據監測模塊。當數據庫驗證成功且所有配置均順利連接時，按下啟動按鈕即可進行實時監控。監測系統啟動后，將準確顯示所有實時數據信息，包括雨、水和氣象數據，并通過雨、水數據的二次處理，實日寸顯示不同時段的水位變化趨勢和降水量。

在對數據監控模塊的程序參數進行設置日寸，工作人員可以借助自定義設置功能，調節系統自動獲取數據的頻率。

（3）數據查詢模塊。

本雨水情系統能夠對遙測站任意時間段歷史數據的查詢給予支持，并且配備相關數據的動態圖標，甚至能夠將查詢到的數據以Excel表格的方式導出[1-2]。

（4）氣象預報模塊。

基于氣象及相關數值預報資源，利用先進氣象技術、WebGIS等為小水電站提供流域降水預報，包括天氣預報、降水分布圖、雷達、云圖等。

（5）水情預報模塊。

在預報模塊中，根據上游水利樞紐入庫和出庫洪水、歷年洪水資料情況，分別配置出各種洪水預報方案，如降雨徑流模型中的水源模型、API模型，河道匯流中的馬斯京根模型和合成流量法?？梢詭追N方法多種預報方案同時應用，互相比較，以獲得更為準確可靠的預報成果。同時，可以利用小水電測報及人工計算統計的流量數據進行模型調參，為水電站提供高精度的實時、短臨、趨勢洪水預報。

（6）防洪減災預警模塊。

利用計算斷面的地理信息及當時洪峰預警等級（紅、橙、黃、藍）上圖，并可以查看點逐小時洪水周期信息；可切換查看歷史數據、實時預報、短臨預報、趨勢預報成果。

（7）經濟調度模塊。

根據水電站流量一發電量關系，利用水文預報結果，通過界面展示直觀指導小水電運行調度，計算提供水電站發電量的預測趨勢值。

（8）水情日報、周報模塊。

打開水情日報和周報模塊后，默認顯示的內容是經過程序計算加工后，過去1天和1周之內的雨水情信息。通過對日期選擇功能進行操作，可以對過去任何1天、任何1周的信息進行查詢。

5.2小流域水情測報系統雨水情監控以及預警程序的應用

5.2.1開發軟件的選擇

在對小流域水情測報系統雨水情監控以及預警程序進行開發的過程中，主要采用微軟公司開發的Idea軟件，在Spring boot框架的基礎上，利用Java編程語言完成系統開發。

Java是一種能夠完全面向目標對象的編程語言，具有較強針對性，其中包含大量Windows控件模塊，因此，程序的設計較為簡單，但其具有的數據訪問功能較強，能夠與本文設計的開發程序高度契合[3]。

5.2.2預警等級的確定

根據實時預報、短臨預報、趨勢預報的來水過程及洪峰、洪峰時間。再利用歷史降水計算得到近年來斷面的洪水過程及多年平均流量。然后通過排頻法計算洪峰對應的頻率；計算預警等級預警規則如下：

2年一遇≤當前洪峰周期<5年一遇：小洪水（藍色預警）

5年一遇≤當前洪峰周期<20年一遇：中洪水（黃色預警）

20年一遇≤當前洪峰周期<50年一遇：小洪水（橙色預警）

50年一遇≤當前洪峰周期：特大洪水（紅色預警）

5.2.3洪水演進模擬

根據流域內所有計算斷面對應的河道地理數據、逐小時加載每條河流當前小時洪水頻率：通過時間軸的播放實現洪水在河網中的演進效果。

6項目開發與應用效果

本文設計的雨水情程序，通過科學設置監控頻率，及運行閾值，全面且高效實現雨水情信息的自動控制及預警目標，最大限度緩解值班工作者的工作壓力，將工作效率全面提升。網格化的處理，將地理信息、氣象信息、水文信息等各類數據進行深入融合，實現了任意網格原子信息分離和數據關聯，為大數據融合、分布式獨立計算、精細化分析提供基礎條件。水情預報模塊能夠在無資料區域，自動匹配流域水文參數，實現流域范圍內任意區域徑流過程的預報，可以很好解決無資料地區的洪水預報問題。經濟調度模塊能夠結合水電站流量一發電量關系，計算提供水電站發電量預測趨勢值，指導小水電運行調度，對未來3天的發電量進行趨勢預判。